Кибернетика и общество (сборник)
Пожалуй, тут будет уместно рассмотреть некоторые связанные с энтропией положения, о которых уже говорилось в предисловии. Как мы сказали, идея энтропии выражает несколько наиболее важных отличий механики Гиббса от ньютоновской механики. На взгляд Гиббса, мы обладаем физической величиной, которая принадлежит не внешнему миру как таковому, а некоторому набору возможных внешних миров, и потому относится к области ответов на ряд специфических вопросов, каковые можно задать о внешнем мире. Физика ныне становится не обсуждением внешней Вселенной, которую можно рассматривать как общий ответ на все вопросы о ней, а совокупностью ответов на гораздо более конкретизированные вопросы. Фактически нас уже не заботит изучение всех возможных выходящих и входящих сообщений, которые возможно получить и посылать; нас теперь интересует теория куда более специфических входящих и выходящих сообщений, что подразумевает измерение уже далеко не бесконечного объема информации, содержащегося в этих сообщениях.
Сами по себе сообщения выступают формой структуры и организации. Действительно, возможно воспринимать группы сообщений как обладающие энтропией, подобно группам состояний внешнего мира. Энтропия является мерой дезорганизации, а информация, передаваемая группой сообщений, является мерой организации. В самом деле, возможно интерпретировать информацию, передаваемую в сообщении, как фактическое отрицание ее энтропии и как отрицательный логарифм ее вероятности. Иными словами, чем более вероятно сообщение, тем меньше информации оно содержит. Например, словесные клише куда менее содержательны, чем великолепные стихи.
Я уже упоминал, что Лейбниц интересовался автоматами; этот интерес разделял, кстати, его современник Блез Паскаль, который внес весомый вклад в разработку прибора, известного сегодня как настольный арифмометр[11]. В согласном ходе часов, установленных на одно и то же время, Лейбниц видел образец предустановленной гармонии своих монад. Ведь техника, воплощенная в автоматах той эпохи, была техникой часовых мастеров. Давайте рассмотрим движение крохотных фигурок, кружащихся в танце на крышке музыкальной шкатулки. Они движутся в соответствии с определенной структурой, но эта структура была задана заранее, и предыдущая активность этих фигурок практически никак не связана с их последующим движением. Вероятность того, что они отклонятся в своем движении от заданной структуры, равна нулю. Да, налицо сообщение, однако это сообщение передается от механизма музыкальной шкатулки танцующим фигуркам – и обрывается. Сами фигурки никак не коммуницируют с внешним миром, не считая обозначенной односторонней коммуникации с заранее настроенным механизмом музыкальной шкатулки. Они слепы, глухи и немы и не могут нарушить своим поведением обусловленную структуру.
Противопоставим этому поведение человека – или любого мало-мальски разумного животного, например котенка. Я зову котенка, и он поднимает голову. Я послал ему сообщение, которое он принял своими органами чувств и на которое отвечает действием. Котенок голоден и издает жалобное мяуканье. На сей раз уже он выступает источником сигнала. Котенок играет с клубком, подвешенным на нитке. Клубок сдвигается влево, и котенок ловит его левой лапой. Данное сообщение обладает весьма сложной формой, нервная система котенка принимает его и передает посредством неких нервных окончаний суставам, мускулам и сухожилиям, и через нервные сигналы, транслируемые этими органами, животное осознает свое фактическое положение в пространстве и напряжение своих тканей. Лишь благодаря таким органам возможно выполнять действия, требующие перемещения конечностей.
Я противопоставил предопределенное поведение крошечных фигурок на крышке музыкальной шкатулки контингенциальному, произвольному поведению людей и животных. Однако не следует полагать, что музыкальная шкатулка является типичным образцом деятельности всех машин.
Прежние машины – в особенности это верно для ранних попыток сконструировать автоматы – действительно функционировали по принципу замкнутого часового механизма. Но современные автоматические машины, например управляемые ракеты, неконтактные взрыватели, автоматы для открывания дверей, управляющее оборудование на химических заводах и прочие составляющие нынешнего арсенала автоматических машин с военными или промышленными функциями, обладают органами чувств, то есть наделены рецепторами, которые принимают сообщения извне. Эти рецепторы могут быть простейшими фотоэлектрическими элементами, которые изменяют электрический заряд, когда на них падает свет, и которые способны отличать свет от тьмы; или могут быть настолько сложными, насколько сложны по устройству телевизионные приемники. Они могут измерять напряжение благодаря колебаниям, возникающим в электропроводимости подведенного к ним провода, или измерять температуру посредством термопары, то есть прибора из двух различных, но соединенных друг с другом металлов, через которые проходит ток, когда один из концов контакта нагревается. Любой инструмент из набора конструктора научного оборудования представляет собой возможный орган чувств, и с его помощью возможно считывать показания дистанционно, если добавить к цепи соответствующий электрический аппарат. Следовательно, мы располагаем машиной, работа которой обусловлена ее взаимодействием с внешним миром и происходящими в последнем событиями, причем такие машины находятся в нашем распоряжении уже некоторое время.
Нам знакома также машина, воздействующая на внешний мир посредством сообщений. Автоматическое фотоэлектрическое устройство открывания дверей известно каждому, кто бывал на вокзале Пенсильвания-стейшн в Нью-Йорке. Оно используется и во многих других зданиях. Когда сообщение, состоящее в прерывании пучка света, передается на аппарат, это сообщение воздействует на дверь, и та открывается, позволяя пассажиру пройти.
Шаги между запуском машины такого типа через органы чувств и выполнением поставленной перед машиной задачи могут быть элементарными, как в случае с электрической дверью, или же быть, по сути, какой угодно степени сложности – в пределах ограничений нашей инженерной техники. Сложным мы называем действие, когда некие данные, передаваемые (будем далее определять эту операцию как ввод) с целью оказать воздействие на внешний мир (это воздействие далее определяется как вывод), могут претерпевать большое число комбинаций. Под комбинациями имеются в виду как объединения вводимых в настоящий момент данных, так и операции с ранее накопленными данными, чей запас мы называем памятью. Эти данные хранятся в самой машине. Наиболее сложными среди сконструированных на сегодняшний день машин, способных преобразовывать вводные данные в исходящие, являются быстродействующие электронные вычислительные машины, о которых я расскажу ниже более подробно. Выбор режима работы этих машин производится при помощи особого рода ввода (часто это происходит с применением перфорированных карт, магнитофонных лент или намагниченных проволок); вводимые данные определяют способ, которым машина будет выполнять конкретную операцию, в отличие от способов выполнения других операций. Вследствие частого использования перфорированных карт или магнитных лент (tape) для управления такими машинами процесс передачи данных, которые вводятся подобным образом и которые предписывают машине тот или иной режим работы по комбинированию информации, называется тейпингом (taping)[12].
Выше отмечалось, что люди и животные обладают кинестетическим чувством, с помощью которого они регистрируют положение и напряжение своих мускулов. Чтобы любая машина, действующая в условиях разнообразия внешней среды, могла работать эффективно, необходимо передавать информацию о результатах ее собственных действий как часть той информации, в соответствии с которой она должна продолжать функционировать. Например, если мы управляем лифтом, недостаточно просто открывать наружную дверь: ведь инструкция, которую мы отдаем, должна предусматривать наличие лифта за этой дверью в момент ее открытия. Крайне важно, чтобы сигнал об открывании двери зависел от того факта, что лифт действительно находится на нужном месте, иначе он может задержаться по какой-либо причине и пассажир может шагнуть в пустую шахту. Такое управление машиной на основе ее фактической деятельности, а не на основании ожидаемого поведения, называется обратной связью и включает в себя чувствительные элементы, которые приводятся в действие моторными элементами и выполняют функцию предупреждающих сигналов или мониторов, то есть элементов, показывающих ход выполнения инструкций. Функция этих механизмов заключается в управлении механической тенденцией к дезорганизации; иными словами, они должны осуществлять кратковременную, локальную трансформацию обычного хода энтропии.
Я только что привел лифт в пример устройства обратной связи. В ряде других случаев важность обратной связи еще более наглядна. Например, наводчик артиллерийского орудия получает информацию от своих приборов наблюдения и передает ее орудию, дабы последнее нацелилось таким образом, чтобы снаряд поразил движущуюся цель в определенное время. При этом орудие само по себе должно использоваться при любых погодных условиях. В одних условиях погоды смазка нагревается, и ствол орудия перемещается легко и быстро. В других условиях смазка замерзает или смешивается с песком, и тогда орудие реагирует на отдаваемые ему команды с запозданием. Если эти команды подкрепить физическим действием (тычком), когда орудие медлит с выполнением инструкций и отстает от ожидаемого срока реагирования, ошибка наводчика отчасти компенсируется. Чтобы добиться наиболее единообразного поведения орудия, обычно конструкцию дополняют управляющим элементом обратной связи, который считывает запаздывание реакции устройства на введенные команды и с учетом этого отставания может обеспечить механический аналог физического тычка.
Разумеется, следует принять меры предосторожности, чтобы тычок не оказался слишком сильным, иначе ствол орудия минует заданное положение и придется возвращать его обратно в правильную позицию посредством ряда последовательных тычков, причем колебания могут усилиться до степени, которая чревата катастрофической нестабильностью. Если система обратной связи сама является управляемой – то есть, другими словами, ее собственное стремление к энтропии контролируется каким-то иным управляющим механизмом – и если она действует в жестко заданных пределах, этого не произойдет; наличие обратной связи увеличивает стабильность поведения орудия. Иначе говоря, его поведение становится менее зависимым от трения, или, что то же самое, от запаздывания, вызванного загустеванием смазки.
Нечто весьма схожее с этим наблюдается в человеческой деятельности. Когда беру сигару, я не намереваюсь приводить в движение какие-либо определенные мускулы. В самом деле, во многих случаях я попросту не знаю, какие именно мускулы задействуются. Я лишь запускаю в действие некий механизм обратной связи, конкретно – рефлекс, в котором совокупность сигналов о том, что я все еще не взял сигару, превращается в новый, нарастающий в интенсивности приказ запаздывающим мускулам, каковы бы те ни были. В итоге весьма единообразная и произвольная команда позволяет выполнить ту же самую задачу из разнообразнейших первоначальных положений и независимо от расслабления мускулов, вызванного утомлением мышц. Аналогично, когда веду машину, я не следую серии команд, зависящих, скажем, от мысленного образа дороги и от своего поведения. Если я вижу, что машина слишком сильно отклонилась вправо, это заставляет меня принять левее. Все зависит от фактического поведения автомобиля, а не просто от дороги; это обстоятельство позволяет мне почти с равной эффективностью управлять легким «Остином» или тяжелым грузовиком, отдельных навыков для управления каждой из этих машин не требуется[13]. К этому вопросу мы вернемся подробнее в главе, посвященной специальным машинам, где обсудим возможности, возникающие перед невропатологией благодаря исследованию машин, в работе которых возникают неисправности, схожие с расстройствами в человеческом организме.
По моему мнению, физическое функционирование живых индивидуумов и работа некоторых новейших коммуникативных машин совершенно параллельны друг другу в аналогичных попытках контролировать энтропию посредством обратной связи. Те и другие располагают сенсорными рецепторами на одной из стадий цикла своей деятельности; иначе говоря, у обоих существуют специальные устройства сбора информации из внешнего мира на низких энергетических уровнях и для использования этой информацией в поведении человека или в работе машины. В обоих случаях эти внешние сообщения принимаются не в чистом виде, они проходят через преобразующие устройства – живые, если угодно, или неживые. Информация затем преобразуется в новую форму, доступную для применения на дальнейших стадиях деятельности. Как в животном, так и в машине эта деятельность имеет своей целью оказание воздействия на внешний мир. В каждом случае о фактическом воздействии на внешний мир, а не просто о предполагаемом воздействии, извещается центральный регулирующий аппарат. Этот комплекс поведения обычно игнорируется средним человеком; в частности, он не играет заметной роли в житейском анализе социальных процессов; однако мы вправе изучать как физическое реагирование индивида, так и органическое реагирование самого общества. Я не хочу сказать, будто социологи не подозревают о существовании и сложной природе коммуникации в обществе, но до последнего времени они проявляли склонность не замечать, до какой степени коммуникация является цементом, скрепляющим структуру общества.
В настоящей главе мы отметили фундаментальное единство комплекса идей, которые до недавних пор, как правило, не рассматривались в достаточной мере как близкие друг другу; речь о контингенциальности в физике, предложенной Гиббсом в качестве модификации традиционных ньютоновских взглядов, об августинской трактовке порядка и поведения, обусловленного такими взглядами, и о теории коммуникации между людьми, машинами и в обществе, рассматриваемой как временная последовательность событий, которая, хотя сама до определенной степени произвольна, стремится сдерживать движение природы к беспорядку, приспосабливая ее части к различным преднамеренным целям.
Глава II. Прогресс и энтропия
Как уже отмечалось, статистическое стремление природы к беспорядку – тенденция энтропии к возрастанию в изолированных системах – выражается вторым законом термодинамики. Будучи человеческими существами, мы не являемся изолированными системами. Мы принимаем извне пищу, которая генерирует энергию, и в результате оказываемся частичками более обширного мира, содержащего эти источники нашей жизнедеятельности. А еще важнее тот факт, что мы получаем информацию через наши органы чувств и действуем в соответствии с полученной информацией.
В настоящее время физики осознали значимость этого условия, насколько оно касается наших взаимоотношений со средой. Замечательным выражением роли информации в этом отношении является открытие Клерка Максвелла, известное в форме так называемого «демона» Максвелла. Последнего можно описать следующим образом.
Допустим, у нас имеется контейнер с газом и температура газа везде одинакова. Отдельные молекулы этого газа движутся быстрее, чем другие. Теперь предположим, что в контейнере есть маленькая дверца, через которую газ поступает в трубу, ведущую к тепловому агрегату, и что выпускное отверстие этого теплового агрегата посредством другой трубы соединено через другую дверцу с газовым контейнером. У каждой дверцы находится маленькое существо – «демон», – способное видеть приток молекул и открывать или закрывать дверцы в зависимости от скорости движения молекул.
«Демон» у первой дверцы открывает ее только для молекул с высокой скоростью движения и закрывает ее перед молекулами с низкой скоростью, поступающими из контейнера. Роль «демона» у второй дверцы в точности противоположна: он открывает дверцу только для молекул с низкой скоростью и закрывает ее для молекул с высокой скоростью. В результате температура с одной стороны повышается, а с другой понижается, тем самым порождая вечное движение «второго рода», то есть вечное движение, не нарушающее первого закона термодинамики, который гласит, что количество энергии в конкретной системе постоянно; однако одновременно происходит нарушение второго закона термодинамики, утверждающего, что энергия тяготеет к самопроизвольному понижению температуры. Иными словами, «демон Максвелла» как будто преодолевает тенденцию энтропии к возрастанию.
Возможно, я сумею проиллюстрировать данную идею еще нагляднее на примере толпы, которая рвется в метрополитен через два турникета: один пропускает только тех, кто бежит с определенной скоростью, а второй пропускает лишь тех, кто движется медленно. Случайное движение людей на станции метрополитена со стороны будет смотреться как поток, быстро преодолевающий первый турникет, тогда как второй турникет, повторюсь, будет пропускать лишь медленно идущих людей. Если оба турникета соединены проходом с колесом-топчаком посредине, то поток быстро движущихся людей скорее будет поворачивать топчак в одном направлении, чем поток медленно идущих людей будет поворачивать его в обратном направлении – и у нас появится источник полезной энергии от произвольного перемещения толпы.
Здесь обнаруживается весьма интересное различие между физикой наших предков и физикой нынешнего дня. В XIX столетии физика считала, что для получения информации не требуется никакого расхода энергии. В результате в системе Максвелла ничто не мешало его «демонам» питаться от собственного источника энергии. Зато современная физика признает, что «демон» может получить информацию, на основе которой он открывает или закрывает дверцу, только благодаря чему-то наподобие органа чувств (будем полагать, что это глаз). Свет, попадающий в глаз «демона», не является дополнением к механическому движению, лишенным энергии; он разделяет с механическим движением его основные свойства. Свет не воспринимается никаким прибором до тех пор, пока не упадет на этот прибор, и не может указывать положение какой-либо частицы, если только не попадет на эту частицу. Отсюда следует, что даже с чисто механической точки зрения мы не вправе считать, что газовый контейнер содержит только газ; в нем содержатся газ и свет, которые могут находиться в равновесии или пребывать в ином состоянии. Если газ и свет находятся в равновесии, возможно показать, что, в соответствии с современной физической доктриной, «демон Максвелла» будет столь же слеп, как если бы вокруг совсем не было света. У нас будет облако света, идущего со всех направлений, который никак не обозначит положения и скорости газовых частиц. Поэтому «демон Максвелла» будет работать только в системе, которая не находится в равновесии. Впрочем, в такой системе обнаружится, что постоянное столкновение частиц света и газа тяготеет к установлению равновесия между светом и газовыми частицами. Вследствие этого «демон» может временно изменять обычный ход энтропии, но в конечном счете энтропия все равно победит.
«Демон Максвелла» способен действовать бесконечно, только когда дополнительный свет поступает извне системы и температура этого света не соответствует механической температуре самих частиц. Такая ситуация должна быть хорошо нам знакома, ведь мы наблюдаем, как окружающая нас Вселенная отражает идущий свет солнца, который вовсе не находится в равновесии с механическими системами Земли. Строго говоря, мы сопоставляем частицы, чья температура варьируется в пределах от 50° до 60° по Фаренгейту[14], с идущим от солнца светом, температура которого достигает многих тысяч градусов.
В системе, которая не находится в равновесии, или в отдельной части подобной системы энтропия не обязана возрастать. Более того, она может фактически уменьшаться локально. Возможно, это отсутствие равновесия в мире вокруг является всего-навсего этапом на пути к «выравниванию», которое в конечном счете приведет к равновесию. Рано или поздно мы все умрем, и весьма вероятно, что вся Вселенная вокруг тоже погибнет от перегрева, когда мир окажется в состоянии общего и грандиозного температурного равновесия, где не будет происходить ничего по-настоящему нового. Не останется ничего, кроме унылого единообразия, от которого можно ожидать лишь малых и незначительных локальных флуктуаций.
Однако на данный момент мы вовсе не являемся свидетелями последних стадий гибели Вселенной. Не исключено, кстати, что у этих последних стадий попросту не будет очевидцев. Следовательно, мир, с которым мы непосредственно взаимодействуем, проходит через стадии, пускай охватывающие крошечную, пренебрежимо малую толику вечности, но чрезвычайно важную для наших целей, поскольку тут энтропия не возрастает, а организованность и ее коррелят – информация – как раз таки накапливаются.
Сказанное выше об этих «анклавах» возрастания организованности не сводится исключительно к организации, наблюдаемой среди живых существ. Машины также способствуют локальному и временному накоплению информации, несмотря на то, что их организация кажется грубой и несовершенной в сравнении с человеческой.
Здесь я хотел бы сделать замечание семантического свойства: такие слова, как «жизнь», «цель» и «душа» категорически неадекватны по значению для точного научного мышления. Эти слова приобрели значимость благодаря тому, что мы признаем общность некоей группы явлений, и фактически не предоставляют нам какой-либо адекватной основы для выявления характеристик этой общности. Всякий раз, обнаруживая новое явление, которое до некоторой степени совпадает по своей природе с тем, что мы уже привыкли называть «проявлениями жизни», но которое не подпадает в точности под все связанные между собой критерии параметра «жизнь», мы сталкиваемся с проблемой: следует ли расширить толкование слова «жизнь», дабы охватить новые явления, или же определять «жизнь» более строго, дабы исключить новые явления. В прошлом эта проблема возникала при изучении вирусов, которые проявляли некоторые признаки жизнедеятельности – тенденцию сохранять устойчивость, размножаться и организовываться, но не выражали эти признаки в полностью сформированном виде. Сегодня, когда отмечаются известные аналогии между машиной и живым организмом, вопрос, считать машину живой или нет, видится сугубо семантическим, и мы вольны трактовать данную проблему по собственному усмотрению. Как говаривал Шалтай-Болтай, рассуждая о своих наиболее замечательных словах: «Я приплачиваю им и заставляю их делать все, что мне угодно»[15].
Если мы хотим употребить слово «жизнь» в значении, охватывающем все явления, которые в локальных масштабах движутся, так сказать, вверх по течению против потока возрастающей энтропии, никаких препятствий для этого нет. Впрочем, в таком случае нам придется включить сюда многие астрономические явления, которые имеют лишь отдаленное сходство с жизнью в обыденном понимании этого слова. Поэтому, на мой взгляд, следует избегать всякого сомнительного словоупотребления, не использовать слова «жизнь», «душа», «витальность» и пр., и применительно к машинам просто говорить, что нет причин, по которым они не могли бы походить на человеческих существ в том отношении, чтобы олицетворять собой «карманы» уменьшающейся энтропии в контексте, где бо́льшая энтропия стремится к возрастанию.
Сравнивая живой организм с такой машиной, я ни на мгновение не допускаю того, что специфические физические, химические и духовные процессы жизни в обыденном представлении о ней аналогичны процессам в имитирующих жизнь машинах. Я просто хочу сказать, что в обоих случаях налицо локальные антиэнтропийные процессы, которые, по всей видимости, могут также выражаться разнообразными другими способами; последние, естественно, не следует определять ни с биологической, ни с механической точек зрения.
Да, совершенно невозможно делать какие-либо заявления общего свойства по поводу имитирующих жизнь автоматов в области, которая развивается столь же быстро, как область автоматизации, однако у этих машин в их современном виде все же имеется ряд общих характеристик, и мне хотелось бы их выделить. Первая характеристика состоит в том, что эти машины предназначены для выполнения какой-либо конкретной задачи или задач, а потому должны обладать соответствующими органами действия (подобными рукам и ногам человеческих существ); посредством этих органов они выполняют поставленные задачи. Во-вторых, машины должны быть en rapport[16] с внешним миром через некие разновидности органов чувств, например через фотоэлектрические элементы и термометры; такие устройства не просто сообщают им об окружающих условиях, но позволяют регистрировать выполнение или невыполнение машинами собственных задач. Последняя функция, как мы уже выяснили, называется обратной связью, это способность регулировать будущее поведение на основании выполнения прежних инструкций. Обратная связь может быть элементарной (безусловные рефлексы) или может оказаться связью более высокого порядка, когда прошлый опыт используется не только для контроля специфических движений, но определяет всю линию поведения. Обратная связь «поведенческого» характера может являться – и зачастую действительно является – тем, что в одних случаях мы трактуем как условный рефлекс, а в других – как познание через обучение.